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- 아인슈타인의 이론 검증:'프레임 드래깅Frame-Dragging'이라 불리는 현상을 다시 측정
- 질량이 큰 물체가 우주에서 회전할 때, 주변 시공간을 약간 끌어당긴다.
- 20만 건의 레이저 측정으로 프레임 드래깅 현상 밝혀내다
- 두 측정 위성의 궤도가 연간 약 61.3밀리초만큼 이동하는 것으로 나타나

지구의 자전은 시공간을 끌어당긴다

아인슈타인의 이론 검증:
지구의 질량은 시공간을 휘게 할 뿐만 아니라, 아인슈타인의 상대성 이론에서 예측한 대로 자전으로 인해 시공간을 끌어당긴다. 물리학자들은 이른바 '프레임 드래깅Frame-Dragging'이라고 불리는 이 현상을 다시 측정했다. 그 결과는 이전보다 10배 더 높은 정밀도로 아인슈타인의 예측을 확인시켜 주었으며, 일부 대안적인 중력 이론들을 배제했다. 

▲ AI 생성: 지구의 질량은 주변 시공간을 휘게 한다. 또한, 지구의 자전도 이 중력 행렬을 약간 왜곡시킨다. 연구진은 이제 이러한 "프레임 드래깅" 현상을 측정했다.

알베르트 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 우리의 물리적 세계관의 근간을 이룬다. 이 이론은 시공간 곡률이라는 개념을 통해 중력 현상을 설명한다. 우주에 있는 질량이 클수록 우주의 보이지 않는 매트릭스인 시공간을 더 많이 변형시킨다. 이것이 바로 행성이 태양 주위를 공전하고, 빛이 큰 질량 근처에서 휘어지고, 심지어 시간이 늘어나는 이유이다.

자전은 시공간을 왜곡한다

하지만 아인슈타인의 상대성 이론은 또 다른 현상, 즉 프레임 드래깅을 예측한다. 질량이 큰 물체가 우주에서 회전할 때, 주변 시공간을 약간 끌어당긴다. 이로 인해 시공간이 미세하게 왜곡되고 뒤틀린다. 이 현상은 회전하는 숟가락 주위로 점성이 있는 꿀이 움직이는 것과 유사하다. 천문학자들은 회전하는 블랙홀이나 펄서와 같은 질량이 큰 천체에서 이 현상, 즉 렌즈-티링Lense-Thirring 효과를 이미 관측했다.

이러한 시공간 끌어당김 효과는 지구에서도 발생해야 한다. 하지만 지구의 질량이 블랙홀보다 훨씬 작기 때문에 시공간 왜곡이 약하게 나타나고, 따라서 측정하기도 어렵다. 게다가 지구는 완벽한 구형이 아니라 약간 납작한 형태다. 지구의 중력장 또한 공보다는 움푹 들어간 감자에 더 가깝다.

이것만으로도 충분히 복잡한데, 외부 중력의 영향도 고려해야 한다. 지구는 우주에서 고립되어 있는 것이 아니라 태양, 달, 그리고 주변 행성들의 조석력의 영향을 받는다. 시공간 끌어당김 효과를 측정할 때는 이 모든 요소를 ​​고려해야 한다.

날아다니는 디스코볼, 측정 도구로 활용하기

두 개의 특별한 위성이 이 문제에 대한 해결책을 제시한다. 바로 NASA의 레이저 지구역학 위성(LAGEOS)과 이탈리아의 레이저 상대성 이론 위성 2(LARES-2)이다. 지구 상공 약 12km 고도에서 궤도를 도는 이 위성들은 기존 위성보다 훨씬 큰 골프공처럼 생겼다. 이 구형 위성에는 태양광 패널이나 다른 움직이는 부품이 없다. 대신 알루미늄 표면에 수백 개의 미세한 반사판이 덮여 있다. NASA 고다드 우주비행센터의 스티븐 머코위츠는 "LAGEOS는 매우 단순하면서도 우아하다. 반사 프리즘으로 덮인 공일 뿐이다"고 설명했다.

이 위성의 원리는 다음과 같다. 레이저 빔을 이 구형 위성에 쏘면 위성이 반사해 오는 레이저를 이용해 밀리미터 단위의 정밀한 위치 측정이 가능하다. 이 위치는 지구 근처의 중력에도 영향을 받기 때문에, 지구가 주변 시공간을 얼마나 왜곡시키는지 알 수 있다. 또 다른 장점은 이 위성들의 구형 모양과 작은 질량 덕분에 중력 이외의 교란에 비교적 둔감하다는 것이다.

▲ NASA의 라게오스(LAGEOS) 위성은 일반적인 인공위성보다는 디스코볼처럼 생겼다. — © NASA/Goddard

20만 건의 레이저 측정으로 프레임 드래깅 현상 밝혀내다

로마 사피엔자 대학교의 이냐치오 치우폴리니(Ignazio Ciufolini) 교수가 이끄는 물리학 연구팀은 이러한 장점을 활용하여 LAGEOS와 LARES-2 위성을 통해 지구의 프레임 드래깅 효과를 전례 없는 정확도로 측정했다. 이를 위해 연구팀은 2022년 7월 17일부터 2025년 6월 1일 사이에 두 위성에서 수집한 20만 건 이상의 레이저 측정 데이터를 분석했다. 연구팀은 두 위성의 지구 공전 궤도뿐 아니라 서로에 대한 상대적인 위치까지 분석했다.

치우폴리니 연구팀은 "LAGEOS와 LARES-2는 거의 동일한 궤도를 따라 공전하지만, 서로에 대해 기울어진 각도를 가지고 있다"고 설명했다. 또한 두 위성은 서로 반대 방향으로 공전한다. 이를 통해 물리학자들은 달과 태양으로 인해 발생하는 미묘한 조석 효과까지도 파악하고 보정할 수 있었다. 모든 추론 끝에 남는 한 가지 값은 바로 프레임 드래깅 효과로 인한 지구 근처 시공간 왜곡이다.

연간 61.3밀리초

분석 결과, 두 측정 위성의 궤도가 연간 약 61.3밀리초만큼 이동하는 것으로 나타났다. 이 값은 지구의 프레임 드래깅 현상을 나타내며, 연구팀에 따르면 이는 현재까지 측정된 프레임 드래깅 현상 중 가장 정밀한 값이다. 측정 불확실성이 0.2%에 불과하기 때문이다. 치우폴리니와 그의 동료들은 "이는 이전 실험 결과보다 약 10분의 1 수준"이라고 밝혔다.

더 중요한 것은 이 측정 결과가 아인슈타인의 상대성 이론 예측과 얼마나 잘 부합하는가 하는 점이다. 연구진은 "이번 결과는 지구 근우주에서 일반 상대성 이론을 엄밀하게 검증하고, 다른 중력 이론들을 강력하게 제한한다"고 결론지었다.

아인슈타인의 이론은 다시 한번 검증을 통과했다. "기초 물리학 검증 외에도, LARES-2와 LAGEOS의 통합 분석은 태양-달 조석 현상 및 기타 중력 현상의 측정 정확도를 향상시킨다"고 치우폴리니 연구팀은 설명했다.
출처: Ignazio Ciufolini (Sapienza Università di Roma) et al., Nature, 2026; doi: 10.1038/s41586-026-10715-0

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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